Cómo la ciencia hace que nuestros viajes en avión sean más seguros y más seguros

Al principio fue fuego. Ellos existen hace aproximadamente 1 millón de años, el hombre domesticó al que cambiaría definitivamente el rumbo de la humanidad. Y debemos recordar que es para el progreso de la civilización que
Prometeo robó el fuego a los dioses. Este fuego que despierta muchos sentimientos contradictorios: seguridad, peligro, miedo, consuelo, dolor, esperanza. A veces sucede que este amigo mutuo se sale de nuestro control. Desde incendios forestales hasta incendios domésticos, todos temen estos escenarios catastróficos. Más aún cuando se sube al avión o cuando se produce un incendio durante el vuelo. ¿Quién no se ha estremecido frente a una película de desastres en la que un avión en llamas se estrella con música dramática?

¡Pero que no cunda el pánico! Ingenieros e investigadores trabajan para elegir materiales y diseñar aviones respetando el estándares de seguridad entre los más exigentes. Así, los materiales seleccionados para aplicaciones aeronáuticas deben cumplir escrupulosamente muchos criterios: toxicidad, resistencia al fuego, producción de humo, combustión, etc.

En el área de aeronáutica, los materiales compuestos son los más utilizados (50% de la masa de la aeronave) porque ofrecen un buen compromiso entre propiedades mecánicas (rigidez, resistencia) y ligereza. Estos materiales llamados «composites» generalmente combinan refuerzos fibrosos (principalmente fibras de carbono, como en las raquetas de tenis del Tour de Francia o bicicletas de corredor) y una matriz de polímero (también conocida como aglutinante o pegamento entre las fibras). Bajo el nombre de plástico). El refuerzo confiere al material buenas propiedades mecánicas, mientras que la matriz permite unir las fibras entre sí.

Un avión está hecho de diferentes partes ensambladas. La elección del material para estas diferentes piezas depende principalmente de la zona en la que se encuentren. El área del motor y las habitaciones adyacentes se encuentran entre las más críticas de la aeronave. Especialmente cuando el motor se incendia. En este caso, los aviones están diseñados para que el piloto tenga 15 pequeños minutos para dejar caer su dispositivo. Durante estos 15 minutos, la llama (resultante de la combustión de combustible – queroseno – y plástico) no debe atravesar las piezas compuestas y la pieza debe mantener una resistencia mecánica suficiente.

Ilustración del acoplamiento termomecánico © B. Vieille (vía The Conversation)

Para prevenir estas condiciones críticas y evitar posibles consecuencias dramáticas, es necesario estudiar la influencia del calor y la carga mecánica (las fuerzas ejercidas en varias partes de la aeronave) para comprender completamente sus efectos. Imagínese lo que sucede cuando coloca una taza en una barra de chocolate (en la foto de arriba) y comienza a derretirse … Concretamente, cuando expone una pieza de compuesto a una llama, el plástico se ablanda, se derrite (se vuelve líquido) y luego se piroliza ( convertirse en gas). Estos gases alimentarán la llama y facilitarán la propagación del fuego. Obviamente, la capacidad de la pieza para soportar una fuerza (el peso del motor, por ejemplo) se reducirá considerablemente. Y son estas interacciones las que deben entenderse.

Las dimensiones características de las piezas aeronáuticas compuestas varían desde unas pocas decenas de centímetros hasta estructuras del orden de un metro. La dificultad radica entonces en reproducir, en el mejor de los casos, a escala de laboratorio (por tanto, a pequeña escala) las condiciones reales de un ataque térmico combinado con una carga mecánica. O reglas de certificación (autorización) Air Force establece una temperatura de llama de 1150 ° C y un flujo térmico (el calor liberado por unidad de área) de aproximadamente 120 kW / m2.

Por tanto, es necesario desarrollar medios técnicos específicos para medir todas las magnitudes físicas (temperatura, fuerza, deformación) implicadas en los fenómenos físicos implicados en un incendio de motor. En estas condiciones extremas, todavía hay buenas noticias. Durante milenios, la humanidad ha adquirido conocimientos y herramientas que iluminan a ingenieros e investigadores sobre cómo diseñar piezas compuestas en aeronáutica.

Banco de pruebas que reproduce el efecto simultáneo de una llama y una carga mecánica © B. Vieille (vía The Conversation)

Con este espíritu, nuestros laboratorios de investigación GPM (Grupo de Física de Materiales -) y
CORIA (Complejo de Investigación Interprofesional Aero-termoquímica -) ha unido sus habilidades y combinado sus esfuerzos para desarrollar un banco de pruebas original (un prototipo de máquina dedicado al estudio de ciertos fenómenos – ver arriba) como parte de un proyecto, llamado Aeroflamme, financiado por el Región de Normandía y Europa.

Este banco combina un quemador de queroseno (que impone una llama) y un cilindro hidráulico (que impone una fuerza). También integra varias herramientas de medición: cámara de infrarrojos (medición de temperatura), sensor de desplazamiento (medición de deformaciones) y fuerza. Con este banco de pruebas, es posible comprender mejor el comportamiento al fuego de los materiales compuestos y más específicamente el acoplamiento (interacciones) entre el efecto de la llama / calor en la evolución de propiedades / comportamiento mecánico.

En estas condiciones, la pieza compuesta se mantiene bien durante quince minutos … pero podría resistir más. La ciencia está a bordo, ¡buen vuelo!

El uso de materiales compuestos innovadores en aplicaciones aeronáuticas se enfrenta ahora a estándares de seguridad cada vez más exigentes, para los cuales es imperativo brindar respuestas confiables y relevantes. Además, es fundamental permitir que los fabricantes aeronáuticos comprendan / predigan la resistencia al fuego de sus materiales y, en última instancia, de sus piezas y conjuntos. Por tanto, nuestro trabajo de investigación en materiales aeronáuticos forma parte de la lógica de certificación de nuevos materiales para aplicaciones en entornos de alta temperatura o incluso en caso de incendio crítico. Estos materiales son proporcionados por fabricantes aeronáuticos.

Este análisis fue escrito por Benoît Vieille, profesor de mecánica de materiales aeronáuticos en el Instituto Nacional de Ciencias Aplicadas (INSA) Rouen Normandie.
El artículo original fue publicado en el sitio web de La conversación.